KR101748879B1

KR101748879B1 - 수지 부재의 레이저 접합 방법 및 수지 부재의 레이저 접합체

Info

Publication number: KR101748879B1
Application number: KR1020110002217A
Authority: KR
Inventors: 나오유키 마쯔오; 마유 시모다; 류타 키베
Original assignee: 닛토덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2011-01-10
Publication date: 2017-06-19
Also published as: TWI492807B; KR20110090767A; JP5555613B2; TW201139026A; JP2011178156A

Abstract

본 발명은, 광 흡수제를 통하여 수지 부재의 레이저 접합을 행할 때에, 레이저 출력 변동이나 집광 밀도 변동과 같은 프로세스 변동이 발생하였을 때에도, 수지 부재의 분해나 탄화와 같은 제품 불량의 발생을 방지하고, 빠르게 레이저 접합을 실시할 수 있는 수지 부재의 레이저 접합 방법, 및 수지 부재의 레이저 접합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 2 이상의 수지 부재를 접촉시키고, 그 접촉면의 근방에 배치된 광 흡수제에 레이저광을 조사하여 수지 부재를 용착시켜 접합하는 수지 부재의 레이저 접합 방법이며, 상기 수지 부재의 적어도 어느 하나가, 300℃ 미만의 유리 전이점 또는 융점을 갖는 열가소성 수지이며, 상기 광 흡수제가, 시차 열천평을 사용하여 350℃까지 가열하여 측정된 중량 감소량이 40% 이상인 것을 특징으로 하는 수지 부재의 레이저 접합 방법을 제공한다.

Description

수지 부재의 레이저 접합 방법 및 수지 부재의 레이저 접합체{METHOD FOR LASER WELDING RESIN MEMBERS AND LASER WELDED BODY OF RESIN MEMBERS}

본 발명은, 수지 부재와 수지 부재를 접합시키는 수지 부재의 접합 방법 및 2 이상의 수지 부재가 접합되어 이루어지는 수지 부재의 접합체에 관한 것이다.

종래, 수지 부재와 수지 부재를 접합하는 방법으로서, 수지 부재끼리를 레이저광으로 용착시키는 방법이 채용되어 있다. 이 수지 부재끼리를 레이저광으로 용착시키는 경우에는, 통상, 이들 수지 부재와 수지 부재의 표면끼리를 면접시킨 상태에서 중첩시키고, 이 중첩된 부분에 레이저광을 조사하여 수지 부재의 표면을 구성하는 수지 재료를 용융시켜 용착부를 형성시키는 방법이나, 수지 부재의 단부와 단부를 맞대고, 양자에 걸치도록 하여 다른 수지 부재를 중첩하고, 그 중첩된 부분에 레이저광을 조사하여 수지 부재의 표면을 구성하는 수지 재료를 용융시켜 용착부를 형성시키는 방법 등이 채용되어 있다.

이와 같은 용착에 의한 수지 부재의 접합에서는, 용착시키는 부위에 광 흡수제를 배치해 두고, 상기 광 흡수제가 배치된 부위를 향하여 레이저광을 조사하고, 상기 조사한 레이저광을 수지 부재의 배면측으로부터 표면측으로 투과시켜 광 흡수제까지 도달시켜, 상기 광 흡수제에 의해 레이저광을 흡수시킴으로써 레이저광의 광에너지를 열에너지로 변환시킴으로써, 상기 수지 부재의 면접 부위를 용착시키는 방법으로 행해진다. 조사되는 레이저광으로서는, 예를 들어, 적외선 레이저나 근적외선 레이저가 사용되고, 수지 부재의 면 접촉 부위에 배치되는 광 흡수제로서는, 카본 블랙이나, 폴리피린계 흡수제 등, 적외 영역이나 근적외 영역에 흡수 피크를 갖는 물질이 사용되고 있다(하기 특허문헌 1 및 2 참조).

이와 같은 광 흡수제를 사용한 레이저 용착 방법을 사용함으로써, 레이저광에 대하여 높은 투명성을 갖는 수지 부재끼리의 용착에 있어서도, 수지 부재의 계면만을 발열시켜, 용융시킴으로써 용착이 가능하게 되어 있다.

그러나, 상기한 바와 같은 광 흡수제를 사용한 레이저 용착 방법에 있어서는, 레이저광원인 레이저 발진기의 출력 변동이나, 피가공물의 표면 요철에 의한 집광 밀도 변동과 같은, 제조 공정에 있어서의 상정 외의 변동이 일어난 경우, 레이저광으로부터 공급되는 열에너지가 과잉으로 되는 경우가 있고, 그 결과, 피가공물인 수지 부재가 예정된 가열 온도보다도 높아짐으로써 분해 혹은 탄화 반응을 일으켜, 제품 불량을 발생시키는 문제가 있었다. 특히, 유리 전이 온도 Tg나 융점이 별로 높지 않은 수지 부재를 접합 대상으로 하여, 레이저 출력을 높여 빠르게 레이저 접합을 행하는 경우에는, 상기와 같은 문제가 현저해지고 있었다.

일본 특허 공표 제2002-526261호 공보 일본 특허 제3682620호 공보

본 발명은, 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 광 흡수제를 통하여 수지 부재의 레이저 접합을 행할 때에, 레이저 출력 변동이나 집광 밀도 변동과 같은 프로세스 변동이 발생하였을 때에도, 수지 부재의 분해나 탄화와 같은 제품 불량의 발생을 방지하고, 빠르게 레이저 접합을 실시할 수 있는 수지 부재의 레이저 접합 방법 및 수지 부재의 레이저 접합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기와 같은 종래 기술의 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명에 관한 수지 부재의 레이저 접합 방법은, 2 이상의 수지 부재를 접촉시키고, 그 접촉면의 근방에 배치된 광 흡수제에 레이저광을 조사하여 수지 부재를 용착시켜 접합하는 수지 부재의 레이저 접합 방법이며, 상기 수지 부재의 적어도 어느 하나가, 300℃ 미만의 유리 전이점(이하, Tg라고 약기하는 경우도 있음) 또는 융점을 갖는 열가소성 수지이며, 상기 광 흡수제가, 시차 열천평을 사용하여 350℃까지 가열하여 측정된 중량 감소량이 40% 이상인 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명에 관한 수지 부재의 레이저 접합체는, 2 이상의 수지 부재가 접촉되고, 그 접촉면의 근방에 배치된 광 흡수제에 레이저광이 조사됨으로써 수지 부재끼리가 용착 접합되어 이루어지는 수지 부재의 레이저 접합체이며, 상기 수지 부재의 적어도 어느 하나가, 300℃ 미만의 유리 전이점 또는 융점을 갖는 열가소성 수지이며, 상기 광 흡수제가, 시차 열천평을 사용하여 350℃까지 가열하여 측정된 중량 감소량이 40% 이상인 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 관한 수지 부재의 접합 방법 및 접합체에 따르면, 접촉면의 근방에 배치된 광 흡수제가, 시차 열천평을 사용하여 350℃까지 가열하여 측정된 중량 감소량이 40% 이상이므로, 레이저 조사에 의해 부분적으로 과잉의 열에너지가 공급된 경우라도, 그 과잉의 열에너지에 의해 광 흡수제 자체가 분해되게 된다. 따라서, 레이저 접합되는 수지 부재 중 어느 하나로서 300℃ 미만의 유리 전이점 또는 융점을 갖는 열가소성 수지를 채용하였을 때에, 레이저광원인 레이저 발진기의 출력 변동이나, 피가공물의 표면 요철에 의한 집광 밀도 변동과 같은 상정 외의 변동이 일어난 경우라도, 레이저광으로부터 공급되는 열에너지가 과잉으로 되지 않고, 상기 수지 부재의 분해나 탄화 반응을 억제하여, 제품 불량의 발생을 방지하는 것이 가능해진다.

도 1은 제1 실시 형태에 관한 수지 부재의 레이저 접합 방법을 나타내는 측면도.
도 2는 제1 실시 형태의 레이저 접합 방법에 의해 접합된 수지 부재의 접합체를 도시하는 측면도.
도 3은 제2 실시 형태에 관한 수지 부재의 레이저 접합 방법을 나타내는 측면도.
도 4는 제2 실시 형태의 레이저 접합 방법에 의해 접합된 수지 부재의 접합체를 도시하는 측면도.
도 5는 제3 실시 형태에 관한 수지 부재의 레이저 접합 방법을 나타내는 측면도.
도 6은 제3 실시 형태의 레이저 접합 방법에 의해 접합된 수지 부재의 접합체를 도시하는 측면도.
도 7은 실시예 및 비교예에서 사용한 광 흡수제에 대하여, 시차 열천평을 사용하여 측정한 중량 감소량의 측정 결과를 나타낸 그래프.

이하에, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 수지 부재의 레이저 접합 방법을 나타내는 측면도로, 부호 10a, 10b가 시트 형상의 수지 부재를 나타내고 있고, 부호 50이 레이저광을 나타내고 있다. 또한, 도 2는 상기 제1 실시 형태의 레이저 접합 방법에 의해 접합된 수지 부재의 접합체를 도시하는 측면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 제1 실시 형태에 관한 수지 부재의 레이저 접합 방법은, 시트 형상의 수지 부재(10a, 10b)의 각각의 단부를 상하로 중첩한 상태로 하고, 상기 수지 부재(10a, 10b)의 접촉면을 용융시켜 접착을 행하는 것이다. 구체적으로는, 상기 수지 부재(10a, 10b)의 접촉면에 광 흡수제(20)를 도포해 두고, 레이저광(50)을 조사함으로써 상기 광 흡수제(20)를 발열시키고, 그 열에 의해 상기 수지 부재(10a, 10b)의 접촉면을 용융시켜, 이들 수지 부재(10a, 10b)의 접합을 실시하는 것이다.

접합 대상이 되는 수지 부재(10a, 10b)로서는, 적어도 어느 한쪽이, 그 접합면에, 300℃ 미만의 Tg 또는 융점을 갖는 열가소성 수지를 구비한 수지 부재이면 되고, 재질은 특별히 한정되는 것은 아니다.

300℃ 미만의 Tg 또는 융점을 갖는 열가소성 수지로서는, 예를 들어, 폴리카르보네이트 수지, 폴리비닐알코올 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리염화비닐 수지, 트리아세틸셀룰로오스, 폴리메틸메타크릴레이트 수지, 시클로올레핀 중합체, 노르보르넨 수지, 폴리옥시메틸렌 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리에테르이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리부타디엔 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리메틸펜텐 수지, 폴리아미드 수지, 폴리아세탈 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지, 에틸렌비닐아세테이트 수지 등을 들 수 있다.

또한, Tg는, JIS K7121(1987)에 준거하여, 시차 주사 열량계(세이코 인스트루먼트 가부시끼가이샤제, DSC6220)를 사용하여, 10℃/min으로 승온함으로써 DSC 곡선을 구하고, 그것으로부터 보외 유리 전이 개시 온도를 구함으로써 얻을 수 있다.

상기 수지 부재의 두께로서는, 1㎛ 이상, 10㎜ 이하가 바람직하다. 상기 수지 부재의 두께가 1㎛ 미만이면, 상기 수지 부재의 핸들링이 곤란해지고, 10㎜ 이상이면, 상기 수지 부재의 광 흡수에 의해 레이저광이 감쇠하여, 광 흡수제에의 도달 효과가 저하되어, 생산성이 낮아지는 것이 우려된다.

또한, 레이저 접합되는 층, 즉, 수지 부재(10a, 10b) 중 적어도 어느 한쪽의 접합면이 상기 열가소성 수지이면 되므로, 상기 수지 부재는 단층이어도 되고, 혹은 적층 구조이어도 되고, 적층되는 다른 층에 대한 재질의 제약은 특별히 없다. 또한, 접합면의 열가소성 수지나, 적층되는 다른 층에는, 산화 방지제, 난연제, 가교제, 광 안정제, 안료, 충전재 등의 임의의 첨가제가 포함되어 있어도 된다.

단, 레이저광의 조사측에 배치되는 수지 부재에 대해서는, 수지 부재 전체적으로 30% 이상의 광 투과율을 갖는 것이 바람직하고, 50% 이상의 광 투과율을 갖는 것이 더욱 바람직하다.

상기 광 흡수제(20)로서는, 시차 열천평을 사용하여 350℃까지 가열하여 측정된 중량 감소량이 40% 이상인 것을 채용할 수 있고, 또한 400℃까지 가열하여 측정된 중량 감소량이 60% 이상으로 되는 것을 채용하는 것이 바람직하다.

이와 같은 물성의 광 흡수제를 사용함으로써, 레이저 발진기의 출력 변동이나, 피가공물의 표면 요철에 의한 집광 밀도 변동과 같은, 제조 공정에 있어서의 상정 외의 변동이 일어난 경우라도, 광 흡수제가 400℃ 이상으로 가열되는 것이 방지되어, 수지 부재의 분해나 탄화 반응을 방지할 수 있다.

상기 광 흡수제로서는, 안료나 염료 등 중에서, 상기 조건을 만족하는 것을 다양하게 채용할 수 있다. 또한, 상기 광 흡수제의 구체적인 사용 방법으로서는, 상기 수지 부재의 접합면 상에 상기 광 흡수제를 포함하는 층을 형성하는 방법, 또는 상기 수지 부재의 접합면에, 상기 광 흡수제를 함유시키는 방법을 들 수 있다. 수지 부재의 접합면에 층을 형성하는 경우에는, 예를 들어 광 흡수제를 유기 용매 등으로 희석하여, 적합한 도포 수단에 의해 도포하는 방법을 채용할 수 있다. 또한, 건조 후의 상기 층의 두께는 1㎛ 이하가 바람직하고, 나아가 0.5㎛ 이하가 보다 바람직하다. 광 흡수제를 포함하는 층의 두께가 1㎛를 초과하면, 접합되는 2개의 수지 부재의 상용이 저해되는 것이 우려된다. 또한, 상기 광 흡수제를 포함하는 층에 의한 광 흡수성으로서는, 20% 이상이 바람직하고, 30% 이상이 보다 바람직하다. 광 흡수제를 포함하는 층의 도포 폭은 레이저 조사 영역에 맞추어 적절하게 최적화할 수 있다.

이러한 광 흡수제로서는, 예를 들어, 카본 블랙, 폴리피린계 흡수제, 프탈로시아닌계 흡수제, 나프탈로시아닌계 흡수제, 폴리메틴계 흡수제, 디페닐메탄계 흡수제, 트리페닐메탄계 흡수제, 퀴논계 흡수제, 아조계 흡수제, 디임모늄염 등을 들 수 있다. 이들 광 흡수제의 구체예로서는, 미국 젠텍스(Gentex)사로부터 「Clearweld」의 상품명으로 시판되고 있는 광 흡수제를 적절하게 사용할 수 있다. 이 미국 젠텍스(Gentex)사제의 「Clearweld」는, 시차 열천평을 사용하여 350℃까지 가열하여 측정된 중량 감소량이 60%로 되는 것이다.

또한, 본 발명에 있어서의 시차 열천평을 사용한 중량 감소량은, 보다 구체적으로는, 하기 실시예에 기재된 방법에 의해 측정되는 것이다.

또한, 흡수제의 도포 수단으로서는, 예를 들어 니들 칩 디스펜서, 잉크젯 프린터, 스크린 인쇄, 2유체식, 1유체식 또는 초음파식 스프레이, 스탬퍼 등의 일반적인 방법을 사용할 수 있다.

수지 부재끼리를 중첩하는 방법으로서는, 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같이, 스테이지(30) 상에 있어서, 접합 대상이 되는 적어도 2매의 수지 부재(10a, 10b)를 중첩하도록 배치하고, 그 위로부터 가압 수단(40)을 사용하여 가압하고, 상기 수지 부재를 고정한 상태에서 레이저(50)를 조사하는 것이 바람직하다.

상기 가압 수단으로서는, 사용하는 레이저광에 대하여 높은 투명성을 나타내는 유리를 가압 부재로서 구비한 것을 적절하게 사용할 수 있다. 가압 강도로서는, 0.5 내지 100kgf/㎠가 바람직하고, 1 내지 20kgf/㎠가 더욱 바람직하다. 레이저 조사부에 하중을 가하는 것이면, 상기 가압 부재의 형상은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 평판, 원통, 구 형상의 것을 사용할 수 있다. 가압 부재의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 지나치게 얇으면 왜곡에 의해 양호한 가압을 할 수 없고, 지나치게 두꺼우면 레이저광의 이용 효율이 내려가므로, 3㎜ 이상 30㎜ 미만이 바람직하고, 5㎜ 이상 20㎜ 미만이 더욱 바람직하다. 가압 부재의 재질로서는, 예를 들어, 용융 석영, 무알칼리 유리, 템팩스, 파이렉스, 바이코어, D263, OA10, AF45 등을 사용할 수 있다. 레이저광의 이용 효율을 높이기 위하여, 유리 부재는 사용하는 레이저광 파장에 대하여 높은 투명성을 갖는 것이 바람직하고, 구체적으로는, 광 투과율이 50% 이상인 것이 바람직하고, 70% 이상인 것이 보다 바람직하다.

또한, 대면적을 균일하게 가압하여 그 전역에 걸쳐서 양호한 접합을 행할 수 있다는 관점에서, 가압 부재와 수지 부재 사이에는, 광 투과성이 양호하고 쿠션성이 있는 고무나 수지 재료 등(이하, 상간 재료라고 함)을 삽입하는 것이 바람직하다. 상기 상간 재료로서는, 예를 들어, 실리콘 고무, 우레탄 고무 등의 고무계 재료나, 폴리에틸렌 등의 수지 재료를 들 수 있다. 상간 재료의 두께는, 50㎛ 이상 5㎜ 미만이 바람직하고, 1㎜ 이상 3㎜ 미만이 더욱 바람직하다. 50㎛ 미만이면, 쿠션성에 부족하고, 5㎜ 이상인 경우는, 흡수나 산란에 의해 레이저광의 이용 효율이 저하될 우려가 있다. 상간 재료는, 사용하는 레이저광 파장에 대하여 30% 이상의 광 투과율을 갖는 것이 바람직하고, 50% 이상의 광 투과율을 갖는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 스테이지(30)의 재질로서는, 금속, 세라믹스, 수지, 고무 등을 사용할 수 있다. 넓은 면적을 균일하게 가압하여 양호한 접합 상태를 얻기 위해서는, 고무를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 접합 후의 시트와의 박리성을 높이는 목적이나, 내열성을 향상시키는 목적에서, 상기 고무의 표면을 표면 처리해도 되고, 또는 상기 고무 위에 다른 수지 부재 등을 배치해도 된다.

또한, 조사하는 레이저광(50)으로서는, 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 반도체 레이저, 파이버 레이저, 펨토초 레이저, YAG 레이저 등의 고체 레이저, CO₂ 레이저 등의 가스 레이저를 들 수 있다.

이들 중에서도, 저렴하고 또한 면내 균일한 강도의 레이저광이 얻어지기 쉬운 점에 있어서는, 반도체 레이저나 파이버 레이저가 바람직하다.

또한, 수지 자체의 분해를 방지하면서 용융을 촉구하는 것이 용이한 점에 있어서, 순간적으로 높은 에너지를 투입하는 펄스 레이저보다도 연속파의 CW 레이저(Continuous-Wave Laser) 쪽이 적합하다.

또한, 레이저의 출력, 파워 밀도, 스폿 크기, 조사 횟수, 주사 속도 등은, 수지 재료의 종류, 두께, 광 흡수율 등으로부터 적절하게 선택될 수 있다.

또한, 레이저광(50)을 조사하는 위치를, 접촉면의 면 방향에 있어서 이동시킴으로써, 대면적의 접촉면끼리를 용착시킬 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어, 집광 렌즈에 의해 원하는 빔 크기로 집광된 스폿 빔을, 원하는 용접 부위에 주사 조사함으로써 대면적의 용착이 가능해진다. 또한, 갈바노 스캐너에 의해 레이저 헤드를 고정한 상태에서 빔만을 주사시키는 것도 가능하고, 또한 회절 광학 소자와 같은 광학 소자의 사용에 의해 원하는 형상으로 레이저 빔을 정형하고, 무주사에 의해 일괄하여 대면적의 용착을 실시하는 것도 가능하다.

또한, 상기한 바와 같은 수지 부재의 접합 방법에 있어서는, 레이저광(50)의 조사 조건이나 상기 가압 조건을 조정하여, 용착 부위에 있어서의 수지 재료끼리의 계면이 소실되는 상태에서 용착시키는 것이 바람직하다. 계면을 소실시킴으로써 충분한 상용화가 이루어져, 접착 강도의 향상을 도모할 수 있고, 또한 광의 투과성 등을 양호한 것으로 할 수도 있다.

본 제1 실시 형태에 관한 수지 부재의 접합 방법에 따르면, 수지 부재(10a) 및 수지 부재(10b)의 접합면에, 시차 열천평을 사용하여 350℃까지 가열하여 측정된 중량 감소량이 40% 이상인 광 흡수제가 배치되어 있으므로, 레이저 발신기의 출력이 변동되거나, 혹은 레이저광의 집광 밀도가 변동하여, 과잉으로 레이저광이 조사된 경우라도, 상기 광 흡수제의 과잉의 온도 상승이 억제되므로, 수지 부재의 분해나 탄화가 방지되게 된다.

또한, 본 발명의 수지 부재의 레이저 접합 방법 및 레이저 접합체는, 상기 제1 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 접합시키는 수지 부재의 위치 관계나 광 흡수제의 배치 장소 등에 대하여 다양한 변형이 가능하다. 이하, 다른 실시 형태로서, 제2 및 제3 실시 형태에 대하여 설명한다.

도 3은, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 수지 부재의 접합 방법을 나타내는 측면도이며, 도 4는, 제2 실시 형태의 접합 방법에 의해 접합된 수지 부재의 접합체를 도시하는 측면도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 제2 실시 형태는, 접합 대상이 되는 시트 형상의 수지 부재(10a, 10b)의 각각의 단부를 동일 평면 상에서 맞대도록 배치하고, 이들 수지 부재(10a 및 10b)의 양쪽에 겹치도록 다른 수지 부재(제3 수지 부재)(10c)를 중첩하고, 이 제3 수지 부재(10c)와 상기 수지 부재(10a, 10b)의 접촉면을 각각 용융시켜 접착을 행하는 것이다. 구체적으로는, 수지 부재(10a)와 제3 수지 부재(10c) 사이, 및 수지 부재(10a)와 제3 수지 부재(10c) 사이에 개재하도록 광 흡수제(20)를 배치하고, 그들 광 흡수제(20)에 레이저광(50)을 조사함으로써 각각의 접합면에 있어서의 수지 부재를 용착시켜, 수지 부재(10c)를 통하여 수지 부재(10a)와 수지 부재(10b)를 접합시키는 것이다.

따라서, 본 실시 형태에 있어서는, 동일 평면 상에서 맞대도록 배치된 수지 부재(10a 및 10b), 혹은 그들 위에 배치되는 제3 수지 부재(10c) 중, 적어도 어느 하나가 접합면에 300℃ 미만의 Tg 또는 융점을 갖는 열가소성 수지를 구비한 것이면 된다.

또한, 상기 제2 실시 형태에 있어서는, 광 흡수제(20), 레이저광(50), 스테이지(30) 및 가압 수단(40)에 대해서는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지의 것을 채용할 수 있다.

또한, 도 5는, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 수지 부재의 레이저 접합 방법을 나타내는 측면도이며, 도 6은, 상기 제3 실시 형태의 레이저 접합 방법에 의해 접합된 수지 부재의 접합체를 도시하는 측면도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 제3 실시 형태는, 접합 대상이 되는 시트 형상의 수지 부재(10a, 10b)의 각각의 단부를 동일 평면 상에서 맞대도록 배치하고, 이들 수지 부재(10a 및 10b)의 양쪽에 겹치도록 발열 매체(11)를 중첩하고, 이 발열 매체(11)로부터 공급되는 열에 의해 상기 수지 부재(10a)와 수지 부재(10b)의 접촉면을 용융시켜 접착을 행하고, 그 후, 발열 매체(11)를 박리하는 것이다. 수지 부재(10a, 10b) 중, 적어도 어느 한쪽은 300℃ 미만의 Tg 또는 융점을 갖는 열가소성 수지를 구비한 것이다.

보다 구체적으로는, 본 제3 실시 형태의 레이저 접합 방법은, 수지 부재(10a)와 발열 매체(11) 사이, 및 수지 부재(10a)와 발열 매체(11) 사이에 개재하도록 광 흡수제(20)를 배치하고, 그 광 흡수제(20)에 레이저광(50)을 조사함으로써 수지 부재(10a)와 수지 부재(10b)의 접합면에 있어서의 수지 부재를 용착시켜, 수지 부재(10a)와 수지 부재(10b)를 접합시키는 것이다. 발열 매체(11)는 그 표면에 광 흡수제(20)가 도포되어 있고, 조사된 레이저광의 에너지를 광 흡수제(20)에 의해 열에너지로 바꾸어 수지 부재에 전달하는 것이므로, 수지 부재끼리가 용착한 후에는 박리 제거한다. 상기 발열 매체(11)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 수지 부재를 표리 양면으로부터 끼우도록 배치해도 되고, 또한 표리 어느 한쪽면에만 배치하도록 해도 된다.

다음에, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 초과하지 않는 한, 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

실시예 1에 있어서 사용한 사용 재료는 이하와 같다.

<사용 재료>

ㆍ수지 부재 A 재질 트리아세틸셀룰로오스(후지 필름사제, Tg 170℃, 융점 275℃)

두께 80㎛

형상 10㎜×50㎜

ㆍ광 흡수제 A 젠텍스사제 상품명 「Clearweld LD120C」(시차 열천평을 사용하여 350℃까지 가열하여 측정된 중량 감소량은 60%)

ㆍ레이저 파장 940㎚

출력 30W

스폿 2㎜φ

ㆍ가압 부재 재질 용융 석영 유리

두께 10㎜

ㆍ스테이지 실리콘 러버(3㎜ 두께) 상에 폴리이미드(듀퐁사제, 상품명 「캡톤」 125㎛ 두께)를 적층한 것

<중량 감소량의 측정>

시차 열천평(Thermo plus, Rigaku사제, TG8120 시리즈 고온형)을 사용하여 중량 감소량을 측정하였다. 측정 조건은 이하와 같이 하였다.

ㆍ승온 속도 10℃/분

ㆍ측정 분위기 N₂

ㆍ측정 온도 30 내지 500℃

ㆍ유지 시간 0 분

도 7은, 하기 실시예 및 비교예에서 사용한 광 흡수제 A에 대하여, 상기 시차 열천평을 사용하여 측정한 중량 감소량의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

<레이저 접합 테스트>

수지 부재 A의 단부에 폭 10㎜×길이 10㎜의 영역에 광 흡수제 A를 도포하여 건조시키고, 두께 100㎚의 광 흡수제 A의 도포층을 형성하였다. 이 광 흡수제 A의 도포층은, 파장 940㎚의 레이저광의 투과율이 40%이었다. 상기 도포층이 형성된 수지 부재 A를 스테이지 상에 적재하고, 광 흡수제의 도포층을 덮도록 동일한 재질의 다른 수지 부재 A를 중첩하고, 그 위로부터 가압 부재로 15kgf/㎠의 압력으로 가압하였다. 상기 가압 부재를 가압한 상태에서, 상기 조건의 레이저광을 30W와 70W로 각각 조절하여 속도 100m/s로 1라인 주사 조사하고, 수지 부재 A의 레이저 접합을 행하였다.

<테스트 결과>

상기 레이저 접합 테스트를 거친 수지 부재를 육안으로 관찰한 결과, 레이저광이 30W 및 70W인 모든 경우에도, 수지가 분해나 탄화 등을 일으키지 않고, 양호한 상태로 접합되어 있는 것이 확인되었다.

(실시예 2)

<사용 재료>

ㆍ광 흡수제 B 프탈로시아닌계 염료(시차 열천평을 사용하여 350℃까지 가열하여 측정된 중량 감소량은 42%)

그 밖에는 실시예 1과 같은 재료를 사용하였다.

<레이저 접합 테스트>

톨루엔에 1중량％의 비율로 상기 광 흡수제 B를 용융시킴으로써 광 흡수제 용액을 제작하고, 수지 부재 A의 단부에 폭 10㎜×길이 10㎜의 영역에 20mL/㎟의 도포량으로 광 흡수제 용액을 도포하고, 톨루엔을 휘발ㆍ건조시킴으로써 광 흡수제의 도포층을 형성하였다. 그 후, 상기 실시예 1의 레이저 접합 테스트와 마찬가지로 하여 레이저 출력 30W 및 70W에서의 레이저 접합을 행하였다.

<테스트 결과>

(실시예 3)

<사용 재료>

ㆍ수지 부재 B 재질 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, Tg 67℃, 융점 243℃)

두께 50㎛

형상 10㎜×50㎜

그 밖에는 실시예 1과 같은 재료를 사용하였다.

<레이저 접합 테스트>

수지 부재 B를 사용하는 것을 제외하고, 그 밖에는 상기 실시예 1의 레이저 접합 테스트와 마찬가지로 하여 레이저 출력 30W 및 70W로의 레이저 접합을 행하였다.

<테스트 결과>

(실시예 4)

<사용 재료>

ㆍ수지 부재 C 재질 폴리카르보네이트(PC, Tg 146℃, 융점 253℃)

두께 70㎛

형상 10㎜×50㎜

그 밖에는 실시예 1과 같은 재료를 사용하였다.

<레이저 접합 테스트>

수지 부재 C를 사용하는 것을 제외하고, 그 밖에는 상기 실시예 1의 레이저 접합 테스트와 마찬가지로 하여 레이저 출력 30W 및 70W로의 레이저 접합을 행하였다.

<테스트 결과>

(실시예 5)

<사용 재료>

ㆍ수지 부재 D 재질 폴리비닐알코올(구라레이사제, Tg 없음, 융점 210℃)

두께 75㎛

형상 10㎜×50㎜

그 밖에는 실시예 1과 같은 재료를 사용하였다.

<레이저 접합 테스트>

수지 부재 D를 사용함과 함께 레이저 출력을 90W로 변경하는 것을 제외하고, 그 밖에는 상기 실시예 1의 레이저 접합 테스트와 마찬가지로 하여 레이저 접합을 행하였다.

<테스트 결과>

상기 레이저 접합 테스트를 거친 수지 부재를 육안으로 관찰한 결과, 수지가 분해나 탄화 등을 일으키지 않고, 양호한 상태로 접합되어 있는 것이 확인되었다.

(비교예 1)

<사용 재료>

ㆍ광 흡수제 C 야마모또 가세이사제, 상품명 「YKR」(시차 열천평을 사용하여 350℃까지 가열하여 측정된 중량 감소량이 30%)

상기 광 흡수제를 사용한 것을 제외하고, 그 밖에는 실시예 1과 같은 재료를 사용하였다.

<레이저 접합 테스트>

광 흡수제로서 상기 광 흡수제 C를 사용하는 것을 제외하고, 그 밖에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 레이저 출력 30W 및 70W에 의한 레이저 접합 테스트를 실시하였다.

<테스트 결과>

상기 레이저 접합 테스트를 거친 수지 부재를 육안으로 관찰한 결과, 레이저광이 30W인 경우에는, 수지 부재의 분해, 탄화 등이 없는 양호한 접합을 달성할 수 있었던 것이 확인되었다. 그러나, 레이저광이 70W인 경우에는, 레이저 조사부에는 흑색으로 변색된 부분이 점재하고 있고, 또한 접합체는 눌은 냄새를 발생시키고 있었다. 이것으로부터, 상기 테스트에 있어서는, 레이저의 과잉 조사에 의해 수지 부재의 탄화가 일어난 것이 확인되었다.

(비교예 2)

<사용 재료>

ㆍ광 흡수제 D 메틴계의 유용성 염료를 포함하는 착색제를 수지에 배합하여 제조된 잉크 타입(오리엔트 가가꾸 고교사제, 상품명 「eBIND ink」, 시차 열천평을 사용하여 350℃까지 가열하여 측정된 중량 감소량이 37%)

<레이저 접합 테스트>

광 흡수제로서 상기 광 흡수제 D를 사용하는 것을 제외하고, 그 밖에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 출력 30W 및 70W에 의한 레이저 접합 테스트를 실시하였다.

<테스트 결과>

상기 레이저 접합 테스트를 거친 수지 부재를 육안으로 관찰한 결과, 레이저광이 30W인 경우에는, 수지 부재의 분해, 탄화 등이 없는 양호한 접합을 달성할 수 있었던 것이 확인되었다. 그러나, 레이저광이 70W인 경우에는, 레이저 조사부에는 흑색으로 변색된 부분이 점재하고 있고, 또한 접합체는, 눌은 냄새를 발생시키고 있었다. 이것으로부터, 상기 테스트에 있어서는, 비교예 1과 마찬가지로, 레이저의 과잉 조사에 의해 수지 부재의 탄화가 일어난 것이 확인되었다.

(비교예 3)

<사용 재료>

ㆍ수지 부재 E 재질 열가소성 폴리이미드(Tg: 315℃)

두께 50㎛

형상 10㎜×50㎜

상기 수지 부재를 사용한 것을 제외하고, 그 밖에는 실시예 1과 같은 재료를 사용하였다.

<레이저 접합 테스트>

수지 부재로서 상기 수지 부재 E를 사용하고, 또한 레이저 출력을 90W로 변경하는 것을 제외하고, 그 밖에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 접합 테스트를 실시하였다.

<테스트 결과>

상기 레이저 접합 테스트의 결과, 수지 부재를 접합할 수 없었다. 이는, 수지 부재 E가 고내열성의 열가소성 폴리이미드이므로, 이를 용융시키기 위한 열량을 얻을 수 없었기 때문이라고 생각된다.

(비교예 4)

<사용 재료>

ㆍ수지 부재 E(동상)

ㆍ광 흡수제 D(동상)

상기 수지 부재 E 및 광 흡수제 D를 사용한 것을 제외하고, 그 밖에는 실시예 1과 같은 재료를 사용하였다.

<레이저 접합 테스트>

수지 부재로서 상기 수지 부재 E, 광 흡수제로서 상기 광 흡수제 D를 사용하는 것, 또한 레이저 출력을 70W로 변경하는 것을 제외하고, 그 밖에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 레이저 접합 테스트를 실시하였다.

<테스트 결과>

상기 레이저 접합 테스트의 결과, 고내열성의 열가소성 폴리이미드를 접합할 수 있었던 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 수지 부재를 육안으로 관찰한 결과, 레이저 조사부에는 흑색으로 변색된 부분이 점재하고 있는 것이 확인되었다. 이것으로부터, 상기 테스트에 있어서는, 레이저의 과잉 조사에 의해 수지 부재의 탄화가 일어난 것이 확인되었다.

10a, 10b, 10c: 수지 부재
20: 광 흡수제
30: 스테이지
40: 가압 부재
50: 레이저광

Claims

2 이상의 수지 부재를 접촉시키고, 그 접촉면의 근방에 배치된 광 흡수제에 레이저광을 조사하여 수지 부재를 용착시켜 접합하는 수지 부재의 레이저 접합 방법이며,
상기 수지 부재의 적어도 어느 하나가, 300℃ 미만의 유리 전이점 또는 융점을 갖는 열가소성 수지이며, 상기 광 흡수제가, 시차 열천평을 사용하여 350℃까지 가열하여 측정된 중량 감소량이 40% 이상이고,
상기 접합은,
상기 수지 부재의 단부끼리를 동일 평면 상에서 맞대도록 배치하고, 이들 수지 부재의 양쪽에 겹치도록 발열 매체를 중첩하고, 또한 상기 수지 부재와 상기 발열 매체의 사이에 개재하도록 광 흡수제를 배치하고, 해당 광 흡수제에 레이저광을 조사하여 상기 수지 부재끼리를 용착시키고, 용착 후 상기 발열 매체를 박리 제거하는 것을 특징으로 하는 수지 부재의 레이저 접합 방법.
2 이상의 수지 부재가 접촉되고, 그 접촉면의 근방에 배치된 광 흡수제에 레이저광이 조사됨으로써 수지 부재끼리가 용착 접합되어 이루어지는 수지 부재의 레이저 접합체이며,
상기 수지 부재의 적어도 어느 하나가, 300℃ 미만의 유리 전이점 또는 융점을 갖는 열가소성 수지이며, 상기 광 흡수제가, 시차 열천평을 사용하여 350℃까지 가열하여 측정된 중량 감소량이 40% 이상이고,
상기 접합은,
상기 수지 부재의 단부끼리가 동일 평면 상에서 맞대도록 배치되고, 이들 수지 부재의 양쪽에 겹치도록 발열 매체를 중첩시키고, 또한 상기 수지 부재와 상기 발열 매체의 사이에 개재되도록 광 흡수제가 배치되고, 해당 광 흡수제에 레이저광이 조사되어 상기 수지 부재끼리가 용착되고, 용착 후 상기 발열 매체가 박리 제거되는 것을 특징으로 하는 수지 부재의 레이저 접합체.